手算与有限元分析结合在钢便桥验算中的运用

蓝伟锋

（中铁港航东南海洋工程有限公司，福建 福州 350026）

1 工程概况

1.1 平面布置

钢便桥长252m、宽6m。

1.2 结构形式

钢便桥跨径12m，每排设2 根φ630×10mm 钢管桩作基础，间距4.4m；桩顶开槽，安装双拼I40b 工字钢横梁，横梁上设3 组双排单层321 型贝雷片纵梁，贝雷片间距0.9m，组距1.35m。纵梁上设I25b 工字钢横向分配梁，间距0.795m、0.705m。横向分配梁上设I12.6 工字钢纵向分配梁，间距0.3m。I12.6 纵向分配梁上设δ10mm 防滑钢板做为桥面板。钢管桩横向支撑采用[25 槽钢。如图1、图2所示。

图2 横断面示意图

1.3 材料参数

本工程钢便桥除贝雷片纵梁采用16Mn 钢材外，其余均采用Q235B。

2 上部结构有限元分析

2.1 建模

取钢便桥中间3×12m 建模，模型如图3所示。

图3 钢便桥分析模型

2.2 边界条件

（1）钢管桩在嵌固点处固接(采用假想嵌固点)；

（2）钢管桩与横梁弹性连接；

（3）横梁与贝雷梁弹性连接；

（4）贝雷梁与横向分配梁弹性连接；

（5）横向分配梁与纵向分配梁弹性连接；

（6）纵向分配梁与面板弹性连接；

（7）两相邻贝雷梁之间共节点，同时释放梁端约束。

2.3 荷载

（1）结构自重荷载：由软件自动计入。

（2）12m混凝土搅拌车满载45t，轴重分布如图4所示。

图4 混凝土搅拌车轴重分布示意图

（3）70t 履带吊：自重61t，吊重10t，履带尺寸为5.15m×0.76m，履带中心间距4.0m。

（3）水流力、风荷载根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）计算。

（4）临时材料堆放、人群荷载、管线荷载：5kN/m2。

表1 荷载系数

结构重要性系数：取1.0

调整系数：取1.0

冲击系数：取1.1

2.4 工况

工况一：履带吊作业；

工况二：混凝土搅拌车通行；

工况三：车辆停止通行，抵抗台风。

2.5 分析结果

经验算，横梁、横向分配梁、纵向分配梁、面板在最不利工况下组合应力均小于Q235B 钢材强度设计值215Mpa，其中，最大值出现在纵向分配梁，值为132.9Mpa。贝雷片纵梁最大组合应力为253.7Mpa，小于16Mn 钢材强度设计值310Mpa，贝雷纵梁最大竖向变形为12.6mm，小于L/400=30mm。

钢管桩基础最大支反力为798.8kN（详见图5），钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN·m（详见图6），钢管桩稳定性、入土深度计算中采用此数据进行手算。

图5 钢管桩最大支反力

图6 钢管桩最大弯矩

3 钢管桩基础手算

3.1 钢管桩稳定性分析

钢管稳定性分析考虑车辆正常行驶荷载、车辆制动荷载、安装误差、水流力及风荷载。

3．1．1 桩基嵌固点

3．1．2 钢管桩轴心受压稳定系数计算

3．1．3 钢管桩偏心弯矩计算

3．1．4 最不利工况钢管桩弯矩

根据上部结构有限元分析结果，钢管桩最不利工况下的最大弯矩为87.51kN·m。

3．1．5 钢管稳定性计算

根据《水运钢结构设计规范》（JTS 152-2017），压弯钢管的整体稳定按下列公式进行计算：

将钢管桩弯矩、轴力代入上述公式，经计算，钢管桩压弯稳定相当折算应力为110MPa ≤215Mpa，满足承载力要求，稳定性满足要求。

3.2 钢管桩入土深度计算

3．2．1 工程地质情况

自上而下，场地岩土层主要有淤泥①厚22.52m、淤泥质土②厚10.70m、粉质粘土③厚7.10m、砂土状强风化凝灰熔岩④厚12.90m。

3．2．2 桩基设计参数

表2 桩基设计参数

3．2．3 单桩承载力验算

钢管桩按桩尖进入粉质粘土③层0.5m 考虑，总入土深度33.72m。

综上所述，整体结构承载力、刚度、稳定性满足要求。

4 结语

该钢便桥采用手算与Midas Civil 软件分析相结合的方法进行验算，在三种不同工况下承载力、刚度和稳定性满足要求。实践证明，该高桩码头施工钢便桥设计是合理可行、安全可靠的。Midas Civil 软件建模的便捷性，为结构优化节省了大量时间，其计算结果的精确度也确保了后续桩基手算的可靠性。常规手算与Midas Civil 软件结合在类似施工临时结构验算方面具有参考价值。